[论文解读] Build-at-home UV-C disinfection system for healthcare settings

Rosemary C. She, Dongyu Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文提出一种低成本、可自行组装的UV-C消毒系统，采用塑料收纳箱、UV-C灯管及镀铬内壁，形成低Q值法布里-珀罗腔体，从而增强UV-C剂量的传递。该系统经蜡样芽孢杆菌内生孢子验证，可有效实现消毒，且使用常见组件，为新冠疫情下医疗环境中个人防护装备重复使用需求提供了一种可扩展、灵活的解决方案。

ABSTRACT

Significant research has shown that UV-C exposure is an effective disinfectant for a range of bacteria and viruses, including coronaviruses. As such, a UV-C treatment in combination with a chemical wipe, such as EPA hydrogen peroxide, is a common cleaning protocol in a medical setting, and such disinfection protocols have gained in importance during the current COVID-19 pandemic due to the need to reuse PPE. However, given the substantial increase in patient volume, the quantity of materials requiring disinfection exceeds the UV-C equipment throughput capabilities at many medical facilities. Therefore, there is a need for a UV-C disinfection system that can be rapidly deployed. In response to this demand, we designed, constructed, and validated a UV-C disinfection system from readily accessible components; specifically, a plastic bin, UV-C light bulb and conventional light housing. To further improve the performance, the interior of the tub was spray-painted with chrome paint, forming a low quality-factor (Q) Fabry-Perot optical cavity. As part of this work, a set of modular design criteria which allows for flexibility in component selection without degradation of UV-C dose performance is established. This flexibility is critical given the current fluctuating availability of source materials. The disinfection capabilities of the system are validated using Bacillus cereus, a gram-positive endospore-forming bacteria.

研究动机与目标

• 应对新冠疫情中患者数量激增及个人防护装备重复使用需求下，对可扩展、快速部署的UV-C消毒系统所面临的迫切需求。
• 通过使用易获取材料设计低成本、模块化系统，克服现有UV-C设备处理能力不足的局限。
• 开发一种系统，即使在专用组件供应不稳定的情况下，仍能维持有效的UV-C剂量传递。
• 针对耐受性强的生物模型——蜡样芽孢杆菌内生孢子，验证该系统的消毒效果，以代表耐受性强的病原体。
• 建立模块化设计标准，实现组件替换灵活性，同时不降低UV-C性能。

提出的方法

• 使用标准塑料储物箱作为外壳结构，构建UV-C消毒腔体。
• 将标准UV-C荧光灯管安装在箱体内，并固定于普通灯具支架上，以确保稳定与安全。
• 在箱体内壁喷涂镀铬漆，形成低品质因数（Q）的法布里-珀罗光学腔体，通过多次反射增强UV-C光的分布与强度。
• 优化系统几何结构与表面反射率，以最大化对放置物品的UV-C剂量传递。
• 定义模块化设计标准，允许关键组件（如UV-C灯管与电源）在不降低消毒性能的前提下进行替换。
• 使用蜡样芽孢杆菌内生孢子作为环境抗性病原体的模型，验证系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、可自行组装的UV-C消毒系统是否足以实现医疗环境中有效病原体灭活的UV-C剂量？
• RQ2 与普通塑料收纳箱相比，添加镀铬内壁表面在提升UV-C剂量传递方面效果如何？
• RQ3 在不损害UV-C剂量性能的前提下，系统设计中组件的灵活性可维持到何种程度？
• RQ4 该系统能否有效灭活蜡样芽孢杆菌内生孢子，作为耐受性强的细菌孢子的模型？
• RQ5 哪些模块化设计原则可实现此类系统在公共卫生紧急情况下的快速、可扩展部署？

主要发现

• 镀铬内壁显著增强了UV-C剂量传递，通过形成低Q值法布里-珀罗腔体，延长了有效照射时间并提高了照射强度。
• 该系统成功实现了对蜡样芽孢杆菌内生孢子的有效消毒，证明其具备灭活高度抗性微生物形式的能力。
• 模块化设计标准允许对关键组件（如替代UV-C灯管或电源）进行替换，而不会导致性能下降。
• 该系统的处理能力超过资源有限环境中的标准UV-C设备，可实现更短的消毒周期。
• 使用易获取材料可实现快速、低成本部署，以应对疫情暴发期间的紧急医疗需求。